Next generation nuclear reactor VHTR (Very High Temperature gas-cooled Reactor) wants to achieve higher thermal efficiency and hydrogen production. IHX (Intermediate Heat eXchanger) will be exposed to the highest temperature condition among lots of structural components. Solid-solution hardening nickel-base superalloys Alloy 617 and Haynes 230 are expected to use for this applications. Studies on oxidation test and time dependent deformation at 900℃ were conducted before. This study is focused on the microstructure evolution and mechanical properties at other temperature ranges. Furthermore, considering heat treatment history especially cooling rate effects on microstructure evolution, those of two superalloys are cooled down to room temperature by air and furnace.
Materials behavior at intermediation temperature ranges from 600-900℃ and diffusion bonding condition (1150℃) were evaluated. Vicker`s hardness test and small-size tensile test were carried out for each specimen at room temperature. Hardness number and tensile strength were higher than any other temperature condition at 700℃ due to gamma prime phases for Alloy 617. As the aluminum contents of Haynes 230 is far less than Alloy 617, there is no big difference for Haynes 230 at intermediate temperature ranges. The value of mechanical property of alloys at 1150℃ air cooling condition was severely decreased and fully ductile fracture was detected for both alloys. On the other hand, the values showed the tendency of return to the intermediate temperature ranges when the specimen was slowly cooled down.
Characteristic precipitates along the grain boundaries were detected. There was no other singularity up to 700℃ for Alloy 617. However, lots of tiny M23C6 type carbide were formed after 800℃ heat treatment, and those of carbide got bigger and bigger as the heat treatment temperature increased up to 900℃. For diffusion bonding temperature, grain boundary carbide again diminished when the specimen was exposed to diffusion bonding temperature for Alloy 617. Similar phenomenon also happened for Haynes 230. However, as the W rich stable M6C type carbide are randomly distributed for Haynes 230, they move the maximum nucleation rate to higher temperature.
SEM (Scanning Electron Microscope), EDS (Energy Dispersive Spectroscope), and TEM (Transmission Electron Microscope) were used to be sure the evolved microstructure and precipitates phases.
차세대 원자로 중 하나인 초고온가스냉각로 (VHTR)은 보다 높은 열효율성과 대량 수소 생산을 목표로 한다. 초고온가스냉각로에 사용되는 많은 구조 재료 중에서 중간열교환기 (IHX)는 가장 높은 온도에 노출이 되기에 재료적인 측면에서 많은 연구가 요구된다. 고용강화 니켈기초합금인 Alloy 617과 Haynes 230이 유력한 후보 재료로 꼽히고 있다. 원자로 가동환경으로 예상되는 900℃에서의 산화와 크립에 관한 연구가 기존에 이루어졌다. 본 연구에서는 가동온도 이외의 중간온도 범위와 확산접합/풀림이 이루어지는 온도에 대해 미세구조 변화와 기계적 성능평가가 이루어졌다. 중간열교환기의 제작공정상 요구되는 확산접합 방법은 고온의 노안에서 이루어지며 매우 느린 속도로 상온으로 냉각되게 된다. 대기와 노를 이용한 서로 다른 냉각속도를 비교함으로써 냉각속도가 미세구조 및 기계적 성능에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
가동환경보다 낮은 중간 온도 범위에 해당되는 600-900℃ 및 확산접합 조건인 1150℃에서의 재료의 기계적 성능평가가 수행되었다. 각각의 온도에서 열처리된 시편에 대해 비커스 경도 시험과 미소인장시편을 이용한 인장시험이 상온에서 수행되었다. Alloy 617의 경우 700℃에서 3시간동안 열처리된 시편에서 가장 높은 값을 보였다. 시간-온도-변환 반응도표(TTT diagram)에서 알 수 있듯이 가장 짧은 시간에 감마프라임상이 재료 안에 형성됨으로써 기계적 성능에 영향을 미쳤다. 한편, 알루미늄의 질량퍼센트가 다소 적은 Haynes 230의 형성되는 감마프라임의 양이 적어 중간온도 범위에서 큰 차이를 보이지 않았다. 확산접합/풀림이 이루어지는 1150℃-대기냉각의 경우 두 초합금 모두 기계적 성능이 크게 감소하는 것을 볼 수 있었으며 완전한 연성파괴가 이루어졌다. 한편, 1150℃-노냉각의 경우 중간온도 범위를 거치는 시간이 길어짐에 따라 기계적 성능이 중간온도 범위의 수준으로 회복하려는 강한 경향을 보였다.
미세구조의 경우 결정입계에서 온도에 따라 특이한 상의 변화를 보였다. Alloy 617의 경우 700℃까지는 필름 형태의 불연속적인 탄화물을 보이며 특이점이 발견되지 않았지만 800℃에서는 매우 작은 크기의 탄화물이 결정입계 주변에 형성된 것을 볼 수 있었으며 그 이상의 고온으로 노출됨에 따라 탄화물이 뭉쳐 크기가 커짐을 확인하였다. 1150℃-대기 냉각 시편의 경우 다시 필름 형태의 불연속적인 탄화물 형태로 회귀한 것을 알 수 있었다. Haynes 230에 대해서도 온도에 따라 같은 현상이 발견되었다. 다만, 텅스텐이 다량 함유되어 보다 안정된 탄화물상으로 알려진 M6C의 존재로 핵생성과 핵성장이 최대값을 보이는 온도는 Alloy 617에 비해 높아졌다. Haynes 230의 경우 1150℃-대기 냉각의 경우에도 여전히 조대한 탄화물이 결정입계에 존재하는 것을 확인하였으며 이는 보다 빠른 냉각속도 및 보다 높은 온도에서 확산접합/풀림이 이루어져야 함을 의미하며 추가적인 연구가 추후에 요망됨을 알 수 있었다.
각 온도에서 열처리된 초합금의 미세구조 관찰을 위해 전자주사현미경 (SEM), 에너지분산분광분석 (EDS), 및 투과전자현미경 (TEM)가 이용되었다.
